RU2570652C1 - Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing - Google Patents
Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2570652C1 RU2570652C1 RU2014129139/07A RU2014129139A RU2570652C1 RU 2570652 C1 RU2570652 C1 RU 2570652C1 RU 2014129139/07 A RU2014129139/07 A RU 2014129139/07A RU 2014129139 A RU2014129139 A RU 2014129139A RU 2570652 C1 RU2570652 C1 RU 2570652C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- paste
- soldering
- housing
- integrated unit
- led
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
Description
Область техники группы изобретенийThe technical field of the group of inventions
Группа изобретений относится к базовым элементам светотехнических безламповых устройств на основе светодиодов и к способам изготовления таких элементов. Технические решения могут быть использованы при конструировании и экологичном производстве светотехнических устройств автотракторной техники, морской и авиационной техники, а также экономичных светильников для промышленных, бытовых помещений и наружных площадок, особенно в тех случаях, когда к осветительному оборудованию предъявляются повышенные требования по работоспособности в условиях перегрева, а также в условиях повышенных вибрационных и ударных нагрузок.The group of inventions relates to the basic elements of lampless lighting devices based on LEDs and to methods for manufacturing such elements. Technical solutions can be used in the design and environmentally friendly production of lighting devices for automotive vehicles, marine and aviation equipment, as well as cost-effective luminaires for industrial, domestic and outdoor areas, especially in cases where increased demands are made on lighting equipment for operability in conditions of overheating , as well as in conditions of increased vibration and shock loads.
Уровень техники первого изобретения группыThe prior art of the first invention of the group
Первый аналог патентуемого устройства. Известна печатная плата, чаще всего применяемая для мощных светодиодных кластеров - печатная плата с металлическим основанием. В такой плате, в качестве основания используется металлическая пластина, на которую с помощью стеклоткани, пропитанной смолой (материал называется - препрег), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги, из которой сформированы проводники питающей цепи и площадка, на которой своим теплоотводящим основанием (внешняя поверхность внутреннего радиатора) методом пайки укреплен светодиодный кластер. Простейшим типом печатной платы и, следовательно, наиболее экономически эффективным для поверхностного монтажа светодиодов является однослойная печатная плата с алюминиевым основанием. Данная плата является, по своей сути, однослойной печатной платой, наклеенной на алюминиевую пластину. Теплоотвод от кристалла осуществляется следующим образом: генерируемое кристалллом тепло проходит через внутренний радиатор охлаждения кристалла, далее через слой медной фольги, далее - через диэлектрик (препрег), а затем рассеивается внешним алюминиевым радиатором, выполненным в составе печатной платы (источник http://www.pselectro.ru/article/7/78). Данная схема крепления светодиода и теплоотвода от него необходимо предусматривает тепловой переход через слой диэлектрика, теплопроводность которого хуже чем у алюминия примерно на два порядка. Необходимость обеспечить достаточную диэлектрическую прочность диэлектрического слоя определяет его толщину приблизительно в 100 мкм, при которой слой обладает значительным тепловым сопротивлением и заметно ухудшает теплоотдачу кристалла на внешний алюминиевый радиатор.The first analogue of a patented device. A known printed circuit board, most often used for high-power LED clusters - printed circuit board with a metal base. In such a board, a metal plate is used as the base, onto which one or several conductive layers of copper foil are glued using fiberglass impregnated with resin (the material is called prepreg), from which the conductors of the supply chain are formed and the platform on which with its heat-removing base ( external surface of the internal radiator) LED cluster is strengthened by soldering. The simplest type of printed circuit board and, therefore, the most cost-effective for surface mounting of LEDs is a single-layer printed circuit board with an aluminum base. This board is, in essence, a single-layer printed circuit board glued to an aluminum plate. The heat removal from the crystal is carried out as follows: the heat generated by the crystal passes through the internal cooling radiator of the crystal, then through a layer of copper foil, then through a dielectric (prepreg), and then is dissipated by an external aluminum radiator made as part of the printed circuit board (source http: // www .pselectro.ru / article / 7/78). This scheme for attaching the LED and heat sink from it necessarily requires a thermal transition through the dielectric layer, whose thermal conductivity is approximately two orders of magnitude worse than that of aluminum. The need to ensure sufficient dielectric strength of the dielectric layer determines its thickness of approximately 100 μm, at which the layer has significant thermal resistance and markedly affects the heat transfer of the crystal to an external aluminum radiator.
Второй аналог патентуемого устройства.The second analogue of a patented device.
Известен модульный светодиодный светильник который содержит интегрированный блок, включающий в себя печатную плату, по меньшей мере, один светодиод, размещенный на печатной плате, оптический элемент, теплоотводящее устройство, которое образовано подложкой, являющейся одновременно основанием теплоотводящего устройства, причем с одной стороны подложки расположены печатная плата и оптический элемент, а с противоположной стороны расположены теплоотводящие радиаторы специальной формы, причем центральный теплоотводящий радиатор и крайние теплоотводящие радиаторы выполнены за одно целое с подложкой, при этом основание выполнено в идее прямоугольника и имеет по краям каждой боковой стороны выступы, причем нижняя часть выступов предназначена для крепления печатной платы и оптического элемента, верхняя же часть выступов образована крайними теплоотводящими радиаторами, а боковые части выступов снабжены продольными фигурными пазами, при этом центральный теплоотводящий радиатор имеет на конце со стороны, противоположной подложке, утолщение, в центре которого предусмотрен открытый продольный фигурный паз (патент на полезную модель RU 107572, 28.08.2011). В данном техническом решении обеспечивается достаточно эффективный отвод тепла от светодиодов. Однако конструктивно интегрированный блок состоит из отдельных элементов (основание, печатная плата, соединяющие их винты и т.п.) и не обладает достаточной устойчивостью к воздействию интенсивной ударной или вибрационной нагрузки, поскольку в этих условиях не исключается возможность нарушения надежности винтового соединения и нарушения паяных, штекерных или клеммных соединений проводов с токопроводящими дорожками печатной платы, особенно на резонансных частотах механической системы плата - основание.Known modular LED lamp which contains an integrated unit that includes a printed circuit board, at least one LED located on the printed circuit board, an optical element, a heat sink device, which is formed by a substrate, which is also the base of the heat sink device, and on one side of the substrate there is a printed board and optical element, and on the opposite side are heat sinks of a special form, with a central heat sink and extreme The heat sink radiators are made in one piece with the substrate, while the base is made in the idea of a rectangle and has protrusions along the edges of each side, the lower part of the protrusions is used for mounting the printed circuit board and the optical element, the upper part of the protrusions is formed by extreme heat radiators, and the side parts of the protrusions are provided with longitudinal figured grooves, while the central heat sink radiator has a thickening at the end from the side opposite to the substrate, in the center of which is provided n open longitudinal figured groove (patent for utility model RU 107572, 08/28/2011). In this technical solution, a sufficiently effective heat removal from the LEDs is provided. However, the structurally integrated unit consists of individual elements (base, printed circuit board, screws connecting them, etc.) and does not have sufficient resistance to the impact of intense shock or vibration load, since under these conditions it is possible that the screw connection is unreliable and the solder is broken , plug or terminal connections of wires with conductive tracks of the printed circuit board, especially at the resonant frequencies of the mechanical system of the circuit board - base.
Ближайший аналог патентуемого устройства - прототип.The closest analogue of the patented device is a prototype.
За прототип изобретения принимается интегрированный блок светодиодного светильника, в котором светодиодные группы, установлены на печатной плате, выполненной из алюминия или меди, которая крепится к металлическому корпусу -основанию, выполняющему одновременно функции радиатора, методом холодного сдавливания (патент на полезную модель RU 129746, 26.12.2012). В данном устройстве метод холодного сдавливания, примененный для крепления металлической печатной платы к корпусу - основанию улучшает процесс отвода тепла от светодиодов, расположенных на печатной плате, чем облегчаются условия работы и увеличивается срок их службы, увеличивается также производительность технологической линии сборки светильников. Однако соединение печатной платы с корпусом методом холодного сдавливания, предложенным в данном решении, хотя и уменьшает тепловое сопротивление перехода печатная плата - корпус и увеличивает при этом механическую прочность всей конструкции блока, по сравнению с предыдущим аналогом, но такая конструкция не обладает максимально-возможными теплоотводящими свойствами, поскольку переходное сопротивление между печатной платой и корпусом все же имеет место. Кроме того, не исключается возможность разрушения интегрированного блока при воздействии интенсивной ударной или вибрационной нагрузки, т.к. его конструкция является композитной (не монолитной).For the prototype of the invention, an integrated LED lamp unit is adopted, in which the LED groups are mounted on a printed circuit board made of aluminum or copper, which is attached to a metal casing-base, which simultaneously serves as a radiator, by cold compression (patent for utility model RU 129746, 26.12 .2012). In this device, the cold pressing method used to fasten a metal printed circuit board to the housing - the base improves the process of heat removal from the LEDs located on the printed circuit board, which facilitates working conditions and increases their service life, and also increases the productivity of the luminaire assembly line. However, the connection of the printed circuit board with the casing by the method of cold compression proposed in this solution, although it reduces the thermal resistance of the transition between the printed circuit board and the casing, and at the same time increases the mechanical strength of the entire block structure, compared with the previous analogue, but this design does not have the maximum possible heat dissipation properties, since the transition resistance between the printed circuit board and the case still takes place. In addition, the possibility of the destruction of the integrated unit when exposed to intense shock or vibration load, is not excluded. its design is composite (not monolithic).
Сущность первого изобретения группыThe essence of the first invention of the group
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является создание интегрированного блока для светодиодного светильника с эффективной системой отвода тепла от светодиодов, обладающего при этом высокой устойчивостью к ударным и вибрационным нагрузкам. При решении этой задачи, в процессе его производства, попутно достигаются и другие важные технические результаты. Общая заявляемая совокупность достигаемых технических результатов предлагается следующим списком:The problem to which the claimed invention is directed is to create an integrated unit for an LED lamp with an efficient system for removing heat from LEDs, which is highly resistant to shock and vibration loads. When solving this problem, in the process of its production, along with other important technical results are achieved. The total claimed combination of technical results is proposed by the following list:
1.Обеспечивается эффективный отвод тепла от светодиодов.1. Efficient heat dissipation from LEDs is provided.
2. Обеспечивается увеличение устойчивости интегрированного блока, как важнейшего функционального узла светильника, к ударным и вибрационным нагрузкам2. Provides increased stability of the integrated unit, as the most important functional unit of the lamp, to shock and vibration loads
3. Обеспечивается надежность работы интегрированного блока светодиодного светильника в условиях разогрева его до высоких температур.3. The reliability of the integrated unit of the LED lamp is ensured under conditions of heating it to high temperatures.
4. Уменьшается энергоемкость и материалоемкость производства светильника4. Reduced energy and material consumption of the production of the lamp
5. Уменьшается количество экологически вредных отходов при производстве светильника5. Reduces the amount of environmentally harmful waste in the manufacture of the lamp
Сущность первого изобретения группы, обеспечивающая достижение всей совокупности указанных технических результатов заключается в следующем:The essence of the first invention of the group, ensuring the achievement of the totality of these technical results is as follows:
Интегрированный блок для светодиодного светильника содержит корпус, выполненный из алюминиевого сплава, на котором укреплена токопроводящая цепь питания светодиодов, соединенная методом пайки с питающими светильник проводами, и, по меньшей мере, один светодиод, соединенный своими питающими выводами с токопроводящей цепью методом пайки. При этом отличительная и существенная конструктивная особенность заявляемого интегрированного блока заключается в том, что токопроводящая цепь выполнена в виде металлических проводников, адгезионно укрепленных на диэлектрическом слое, материал которого обладает температурным коэффициентом расширения, равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, диэлектрический слой нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь, адгезионно укреплен на нем, а светодиод укреплен своим теплоотводящим выводом на корпусе методом пайки,The integrated unit for the LED luminaire contains a housing made of aluminum alloy on which a conductive power supply circuit of the LEDs is mounted, connected by soldering to the wires supplying the lamp, and at least one LED connected by soldering to its power leads with a conductive circuit. Moreover, a distinctive and significant structural feature of the claimed integrated unit is that the conductive circuit is made in the form of metal conductors, adhesive mounted on a dielectric layer, the material of which has a temperature coefficient of expansion equal to that for an aluminum alloy with an accuracy of plus or minus 10%, dielectric the layer is applied directly to the casing and, in turn, is adhesively attached to it, and the LED is strengthened by its heat sink on the casing soldering th,
Перечень чертежей, поясняющих первое изобретение группыThe list of drawings explaining the first invention of the group
На Фиг. 1 изображен интегрированный блок для светодиодного светильника (вид со стороны светодиодов)In FIG. 1 shows an integrated unit for an LED lamp (view from the LEDs side)
На Фиг. 2 изображен интегрированный блок для светодиодного светильника по сечению А-А.In FIG. 2 shows an integrated unit for an LED luminaire with a cross section AA.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления первого изобретения группыInformation confirming the possibility of implementing the first invention of the group
Интегрированный блок для светодиодного светильника в простейшем исполнении, которое, тем не менее, полностью отражает его сущность (Фиг 1, Фиг 2), содержит корпус (1), выполненный из алюминиевого сплава (алюминиевый профиль, литье под давлением и т.п.), 6 мощных светодиодов (2), например, типа 3HPD и токопроводящую цепь, состоящую из проводников (3) и (4), соединяющих питающие клеммы (5) и (6) светодиодов (2) с подводящими питание к светильнику проводами (питающие провода не показаны и в состав интегрированного блока условно не входят). Проводники (3) и (4) адгезионно укреплены на диэлектрическом слое (7), который, в свою очередь, адгезионно укреплен непосредственно на поверхности алюминиевого корпуса (1). Светодиоды (2) своими теплоотводящими выводами (8) укреплены на корпусе (1) методом пайки. При этом если выводы (8) являются медными как у светодиодов 3HPD, то для пайки его на алюминиевый корпус может быть использован, например, специальный низкотемпературный мягкий припой Chemet Alumet-265 (S-Cd80Zn20). Сущности изобретения также отвечает пайка светодиодов (8) на поверхность корпуса (1), на которую методом вакуумного напыления или любым другим методом предварительно нанесена пленка цветного металла или сплава (серебро, золото, легкоплавкий припой и т.п.), облегчающая технологический процесс пайки. Монтаж проводников токопроводящей цепи (3), (4) на корпус (1) интегрированного блока может быть выполнен предложенным в пункте 7 формулы изобретения способом. Сущность первого изобретения группы связана с заявленными для него техническими результатами следующим образом:The integrated unit for the LED lamp in the simplest version, which, nevertheless, fully reflects its essence (Fig 1, Fig 2), contains a housing (1) made of aluminum alloy (aluminum profile, die casting, etc.) , 6 high-power LEDs (2), for example, type 3HPD and a conductive circuit consisting of conductors (3) and (4) connecting the power terminals (5) and (6) of the LEDs (2) with wires leading the power supply to the lamp (power wires not shown and conditionally not included in the integrated unit). The conductors (3) and (4) are adhesively bonded to the dielectric layer (7), which, in turn, is bonded bonded directly to the surface of the aluminum casing (1). LEDs (2) with their heat sink leads (8) are mounted on the housing (1) by soldering. Moreover, if the terminals (8) are copper like those of 3HPD LEDs, then for soldering it to the aluminum case, for example, special low-temperature soft solder Chemet Alumet-265 (S-Cd80Zn20) can be used. The invention also meets the soldering of LEDs (8) on the surface of the housing (1), onto which a non-ferrous metal or alloy film (silver, gold, fusible solder, etc.) is preliminarily applied by vacuum spraying or by any other method, facilitating the soldering process . The installation of conductors of the conductive circuit (3), (4) on the housing (1) of the integrated unit can be performed as proposed in
- технический результат №1 достигается вследствие того, что светодиоды (2) укреплены своим теплоотводящими выводами (8) непосредственно на алюминиевом на корпусе (1) методом пайки, и вследствие этого переходное термическое сопротивление между теплоотводящим выводом (8) и корпусом (1) практически отсутствует.- technical result No. 1 is achieved due to the fact that the LEDs (2) are mounted with their heat sink leads (8) directly to the aluminum on the housing (1) by soldering, and as a result, the transitional thermal resistance between the heat sink lead (8) and the housing (1) is practically absent.
- технический результат №2 достигается за счет того, что адгезия материалов, применяемых в толстопленочной технологии превышает значение τa=5 МПа=5×106 Па. (Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике. В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов. М:"Радио и связь", 1985). Рассчитаем из указанной величины адгезии прочность сцепления проводников (3)и (4) с корпусом (1). Так серебряная площадка проводника площадью s=1 мм2 и толщиной h=0,03 мм при плотности серебра 
где 
В соответствии с ГОСТ 17516.1-90 полученное значение стойкости соединения к механическим внешним воздействующим факторам многократно превышают особо прочную группу устойчивости М27, которая допускает применение изделия даже на необрессоренном железнодорожном транспорте. Для светильников же другого применения, в большинстве случаев достаточно групп устойчивости М2 или М3 с показателем k=0,5 g (см. http://galad.ru/upload/iblock/4f9/vibroust_vibroprochn.pdf)In accordance with GOST 17516.1-90, the obtained value of the resistance of the joint to mechanical external factors is many times higher than the particularly strong stability group M27, which allows the use of the product even on unpressed railway transport. For luminaires of other applications, in most cases, stability groups M2 or M3 with an index of k = 0.5 g are sufficient (see http://galad.ru/upload/iblock/4f9/vibroust_vibroprochn.pdf)
Рассчитаем теперь по этой же методике прочность паяного соединения светодиода (2) с корпусом (1). Для светодиода 3HPD площадь теплоотводящего вывода (8), который соединяется пайкой с корпусом (1), составляет Sсд=23,3 мм2 при массе светодиода mсд≈2×10-6 кг (см. http://alled.ru/high-power-leds/l-w-svetodiod.html). Соединение пайкой с применением мягкого припоя обеспечивает прочность не хуже τn=20 ΜПа = 20×106 ΠаNow, using the same technique, we will calculate the strength of the soldered connection of the LED (2) with the housing (1). For the 3HPD LED, the area of the heat-removing terminal (8), which is connected by soldering to the housing (1), is S sd = 23.3 mm 2 with the mass of the LED msd≈2 × 10 -6 kg (see http://alled.ru/ high-power-leds / lw-svetodiod.html). Connection by soldering using soft solder provides strength not worse than τ n = 20 ΜPa = 20 × 10 6 Πa
Очевидно, что стойкость соединения светодиодов с корпусом к механическим внешним воздействующим факторам отвечает еще более высоким требованиям. Таким образом, расчеты показывают, что прочность взаимного скрепления элементов значительно превышает требования особо устойчивого к механическим воздействиям класса М27, в соответствии с ГОСТ 17516.1-90.It is obvious that the resistance of the connection of the LEDs to the housing to mechanical external influences meets even higher requirements. Thus, the calculations show that the strength of the mutual fastening of the elements significantly exceeds the requirements of a class M27 that is particularly resistant to mechanical stresses, in accordance with GOST 17516.1-90.
Технический результат №3 достигается за счет того, что диэлектрический слой, обладает температурным коэффициентом расширения (ТКР), весьма близким к ТКР алюминиевого сплава, что исключает деформацию и разрыв токопроводящей цепи в условиях разогрева корпуса (1) до высоких температур, что может иметь место, например в светотехнических устройствах автомобиля.Technical result No. 3 is achieved due to the fact that the dielectric layer has a temperature coefficient of expansion (TCR) very close to that of an aluminum alloy, which eliminates deformation and rupture of the conductive circuit under conditions of heating the housing (1) to high temperatures, which can occur , for example, in lighting devices of a car.
Технические результаты №4 и №5 достигаются в процессе изготовления интегрированного блока для светодиодного светильника согласно предложенному способу.Technical results No. 4 and No. 5 are achieved in the manufacturing process of the integrated unit for the LED lamp according to the proposed method.
Уровень техники второго изобретения группыThe prior art of the second invention of the group
Первый аналог патентуемого способаThe first analogue of the patented method
Известен способ изготовления алюминиевой печатной платы, подложка которой выполнена из алюминия с анодированным слоем, на которую методом вакуумно-термического осаждения наносят резистивный слой кермета PC 3710, после чего тем же методом наносят слой алюминия толщиной 1,5-2 мкм через контактную маску. Подслой из ванадия осаждают тем же методом через ту же маску. Затем проводят отжиг резистивного слоя при температуре 400-450°C (заявка на изобретение RU 94039450, 27.05.1996). Печатная плата, изготовленная этим способом, обеспечивает работу при монтаже на нее элементов с достаточно большой мощностью, например, осветительных светодиодов. Недостатком данного технического решения является его относительная низкая производительность и дороговизна, особенно в мелкосерийном производстве, по сравнению, например, с толстопленочной технологией.A known method of manufacturing an aluminum printed circuit board, the substrate of which is made of aluminum with an anodized layer, onto which a resistive layer of cermet PC 3710 is applied by vacuum thermal deposition, after which the layer of 1.5-2 microns thick aluminum is applied by the same method through a contact mask. The vanadium sublayer is precipitated by the same method through the same mask. Then, the resistive layer is annealed at a temperature of 400-450 ° C (patent application RU 94039450, 05.27.1996). A printed circuit board made in this way provides operation when mounting elements on it with a sufficiently high power, for example, lighting LEDs. The disadvantage of this technical solution is its relatively low productivity and high cost, especially in small-scale production, in comparison, for example, with thick-film technology.
Ближайший аналог патентуемого способа - прототип.The closest analogue of the patented method is a prototype.
Известна классическая толстопленочная технология изготовления печатных плат, в основе которой лежит использование дешевых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. В целом, толстопленочная технология содержит ряд последовательных идентичных циклов, каждый из которых состоит из определенного базового ряда операций, а именно: подготовка поверхности керамической подложки, нанесение слоя диэлектрической, проводящей или резистивной пасты на подложку через сетчатый трафарет, сушку и вжигание слоя пасты в подложку при температуре 800-900°C. При изготовлении многослойных плат по завершении очередного цикла при необходимости меняется вид пасты и цикл повторяется несколько раз в соответствии с количеством слоев. Таким образом, при формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т.п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят ракелем на подложку, после чего последнюю подвергают сушке и вжиганию (Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике". В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов. М: "Радио и связь", 1985). Недостатками этой технологии является использование керамических подложек, которые при всех своих достоинствах не обеспечивают возможность эффективного отвода тепла при монтаже на их поверхность элементов со значительным выделением тепла, например осветительных светодиодов, а также недостаточная механическая прочность материала подложки - керамики в условиях ударных и вибрационных нагрузок. Использование алюминиевых подложек в данной технологии не представляется возможным, поскольку температура вжигания применяемых паст превышает допустимое для алюминия значение и может привести к его расплавлению.The classic thick-film technology for the manufacture of printed circuit boards is known, which is based on the use of cheap and high-performance processes that require small, one-time production preparation costs, which makes it economically feasible even in small-scale production. In general, thick-film technology contains a series of successive identical cycles, each of which consists of a certain basic series of operations, namely: preparing the surface of the ceramic substrate, applying a layer of dielectric, conductive or resistive paste to the substrate through a mesh stencil, drying and burning the paste layer into the substrate at a temperature of 800-900 ° C. In the manufacture of multilayer boards at the end of the next cycle, if necessary, the appearance of the paste changes and the cycle is repeated several times in accordance with the number of layers. Thus, in the formation of each layer (resistive, conductive, dielectric, etc.), appropriate pastes are used, which are applied with a squeegee onto the substrate through a mesh screen, after which the latter is dried and burned (Thick-film technology in microwave microelectronics. "V. G Krasov, G.B. Petrauskas, Yu.S. Chernozubov. M: Radio and Communications, 1985). The disadvantages of this technology are the use of ceramic substrates, which, for all their advantages, do not provide the possibility of efficient heat removal during installation on their surface of elements with significant heat generation, such as lighting LEDs, as well as insufficient mechanical strength of the substrate material - ceramics under shock and vibration loads. Using aluminum substrates in this technology is not possible, since the burning temperature of the pastes used exceeds the permissible value for aluminum and can lead to its melting.
Сущность второго изобретения группыThe essence of the second invention of the group
Задачей, на решение которой направлено изобретение является создание способа изготовления интегрированного блока для светодиодного светильника, обладающего эффективной системой отвода тепла от светодиодов, высокой устойчивостью к ударным и вибрационным нагрузкам, с минимальной материалоемкостью, с минимальными энергозатратами и с отсутствием экологически вредных отходов и испарений при его производстве. При осуществлении второго изобретения группы достигается следующая совокупность технических результатов:The problem to which the invention is directed is the creation of a method of manufacturing an integrated unit for an LED lamp having an efficient heat removal system from LEDs, high resistance to shock and vibration loads, with minimal material consumption, with minimal energy consumption and with the absence of environmentally harmful waste and vapor production. When implementing the second invention of the group, the following set of technical results is achieved:
1. Уменьшается энергоемкость и материалоемкость производства интегрированного блока для светодиодного светильника.1. The energy and material consumption of the production of an integrated unit for an LED lamp is reduced.
2. Исключаются экологически вредные отходы при производстве интегрированного блока для светильника2. Eliminates environmentally harmful waste in the production of an integrated unit for the lamp
3. Исключаются экологически вредные испарения свинца и кадмия, присущие классической толстопленочной технологии3. Ecologically harmful fumes of lead and cadmium inherent in classical thick-film technology are excluded
Сущность способа изготовления интегрированного блока для светодиодного светильника включает изготовление алюминиевого корпуса, обезжиривание его поверхности, нанесение на его поверхность при помощи сеткотрафарета и ракеля диэлектрической пасты, сушка изделия, вжигание диэлектрической пасты, нанесение на образованные диэлектрической пастой диэлектрические поверхности при помощи сеткотрафарета и ракеля проводниковой пасты, сушка изделия, вжигание диэлектрической пасты, пайка светодиодов теплоотводящими выводами к корпусу, а питающими выводами - к образованным проводниковой пастой проводникам токопроводящей цепи питания светодиодов, причем в качестве диэлектрической пасты применена низкотемпературная не содержащая свинца и кадмия стеклосодержащая паста с температурным коэффициентом расширения, который обладает температурным коэффициентом расширения, равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, а в качестве проводниковой пасты применена не содержащая свинца паста на основе серебра.The essence of the method of manufacturing an integrated unit for an LED lamp includes manufacturing an aluminum housing, degreasing its surface, applying dielectric paste to its surface with a stencil and squeegee, drying the product, burning dielectric paste, applying dielectric surfaces to dielectric paste using a stencil and a conductor paste squeegee , drying the product, burning dielectric paste, soldering LEDs with heat sink leads to the body, and I feed conclusions - to the conductors of the conductive power supply circuit of the LEDs formed by the conductive paste, and a low-temperature lead-free and cadmium-free glass-containing paste with a temperature coefficient of expansion, which has a temperature coefficient of expansion equal to that of an aluminum alloy with an accuracy of plus or minus 10%, is used as a dielectric paste and a lead-free silver-based paste was used as a conductive paste.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления второго изобретения группыInformation confirming the possibility of implementing the second invention of the group
Способ изготовления интегрированного блока для светодиодного светильника может быть осуществлен следующим образом. Корпус (1) (Фиг. 1, Фиг. 2) выполняется из алюминиевого сплава с применением любой из известных технологий (литье, резание, использование стандартного профиля, изготовление на 3D принтере и т.п.). Обезжиривание поверхности осуществляют промывкой корпуса (1) органическим растворителем, например марки 646 ГОСТ 18188-72. Выполнение диэлектрического слоя (7) и проводников (3) и (4) осуществляют по толстопленочной технологии, с тем отличием, что в ней применена в качестве диэлектрической пасты низкотемпературная, не содержащая свинца и кадмия стеклосодержащая паста, с температурным коэффициентом расширения (ТКР), приближающимся к ТКР алюминия, а в качестве проводниковой пасты применена низкотемпературная, не содержащая свинца паста на основе серебра. Это обусловлено тем, что предельная температура интегрированного блока может достигать 110°C (рабочая температура составляет порядка 70°C), при этом отслоение диэлектрика от металла не происходит в том случае, если разница их ТКР не превышает 10% (В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.; М:"Радио и связь", 1985). Пригодные для применения в заявленном способе пасты под торговой маркой Celcion™ производятся компанией Heraeus (Германия). Информация об этих материалах имеется на интернет ресурсах:A method of manufacturing an integrated unit for an LED lamp can be carried out as follows. The housing (1) (Fig. 1, Fig. 2) is made of aluminum alloy using any of the known technologies (casting, cutting, using a standard profile, manufacturing on a 3D printer, etc.). Surface degreasing is carried out by washing the housing (1) with an organic solvent, for example, grade 646 GOST 18188-72. The implementation of the dielectric layer (7) and conductors (3) and (4) is carried out by thick-film technology, with the difference that it uses a low-temperature, lead-free and cadmium-free glass-containing paste with a temperature expansion coefficient (TCR) as a dielectric paste approaching aluminum TCR, and a low-temperature, lead-free silver-based paste was used as a conductive paste. This is due to the fact that the maximum temperature of the integrated unit can reach 110 ° C (operating temperature is about 70 ° C), while the delamination of the dielectric from the metal does not occur if the difference in their TCR does not exceed 10% (V.G. Krasov , G.B. Petrauskas, Yu.S. Chernozubov .; M: Radio and Communications, 1985). Suitable pastes for use in the inventive method under the trademark Celcion ™ are manufactured by Heraeus (Germany). Information about these materials is available on the Internet resources:
- http.//heraeus-circuits-components.com/en/products_and_applications/celcion_pastes_on_aluminum/celcion.asp X- http.//heraeus-circuits-components.com/en/products_and_applications/celcion_pastes_on_aluminum/celcion.asp X
- http://heraeus-ledxom/media/webmedia_local/media/Heraeus_Celcion.pdf.- http: //heraeus-ledxom/media/webmedia_local/media/Heraeus_Celcion.pdf.
Так, для создания диэлектрического слоя (7) может быть применена диэлектрическая паста IP 6075 Celcion™, а для выполнения проводников (3) и (4) токопроводящей цепи может быть применена, например проводниковая, образующая после вжигания при температуре 550°C серебряную пленку паста C8829D Celcion™. Сечение проводников (3) и (4) токопроводящей цепи рассчитывают по их токовой нагрузке, в зависимости от мощности питаемых цепью светодиодов, оно определяется как шириной проводников, так и их толщиной. Расчет толщины и ширины диэлектрического слоя, а также сечения проводников производится в соответствии с ОСТ 107.460084.200-88. Исходя из указанных расчетов, с учетом поправочных коэффициентов определяется необходимая толщина наносимых слоев диэлектрической и проводниковой пасты и их ширина. При этом нужные толщины как диэлектрического, так и проводникового слоев могут быть получены повторением процессов нанесения соответствующих паст через одни и те же сеткотрафареты, с последующей сушкой и вжиганием отдельных элементарных слоев, вплоть до получения общей толщины слоев, удовлетворяющей расчетным значениям. Как правило, для светильника мощностью 10-60 Вт эти значения находятся в пределах: общая толщина диэлектрического слоя 10-30 мкм, общая толщина проводникового слоя - 10-30 мкм.So, to create the dielectric layer (7), IP 6075 Celcion ™ dielectric paste can be used, and to conduct the conductors (3) and (4) of the conductive circuit, for example, a conductor that forms a silver film of the paste after being burned at 550 ° C C8829D Celcion ™. The cross section of the conductors (3) and (4) of the conductive circuit is calculated according to their current load, depending on the power of the LEDs fed by the circuit, it is determined both by the width of the conductors and their thickness. The calculation of the thickness and width of the dielectric layer, as well as the cross section of the conductors, is carried out in accordance with OST 107.460084.200-88. Based on these calculations, taking into account correction factors, the required thickness of the applied layers of dielectric and conductive paste and their width are determined. In this case, the required thicknesses of both the dielectric and conductor layers can be obtained by repeating the processes of applying the corresponding pastes through the same mesh stencils, followed by drying and burning of individual elementary layers, up to obtaining the total thickness of the layers satisfying the calculated values. As a rule, for a luminaire with a power of 10-60 W, these values are in the range: the total thickness of the dielectric layer is 10-30 μm, the total thickness of the conductor layer is 10-30 μm.
Важнейшим достоинством предложенного способа является полностью безотходное использование материалов, минимизация их количества, отсутствие вредных испарений свинца и кадмия, присущих в процессах сушки и вжигания классической толстопленочной технологии, а также отсутствие гальванических процессов, многократной промывки, химического травления фольгированных материалов, присущих классическим технологиям изготовления печатных плат. Все это обеспечивает уменьшение количества экологически вредных отходов и испарений и уменьшение материалоемкости и энергоемкости производства светильника, т.е. совокупное достижение технических результатов №1 и №2 и №3, согласно заявленному списку для второго изобретения группы.The most important advantage of the proposed method is the completely waste-free use of materials, the minimization of their quantity, the absence of harmful fumes of lead and cadmium inherent in the drying and burning processes of classical thick-film technology, as well as the absence of galvanic processes, repeated washing, and chemical etching of foil materials inherent in classical printing technologies circuit boards. All this ensures a reduction in the amount of environmentally harmful waste and fumes and a decrease in the material and energy consumption of the lamp production, i.e. the combined achievement of technical results No. 1 and No. 2 and No. 3, according to the list for the second invention of the group.
Промышленное производство заявленного интегрированного блока для светодиодного светильника предложенным способом не требует специального оборудования и может быть налажено на любом производстве, имеющем технологические мощности производства изделий по толстопленочной технологии.The industrial production of the declared integrated unit for the LED lamp by the proposed method does not require special equipment and can be arranged at any production having technological capacities for manufacturing products using thick-film technology.
Claims (9)
- изготовление алюминиевого корпуса,
- обезжиривание его поверхности,
- нанесение на его поверхность при помощи сеткотрафарета и ракеля диэлектрической пасты,
- сушка изделия,
- вжигание диэлектрической пасты,
- нанесение на образованные диэлектрической пастой поверхности диэлектрического слоя при помощи сеткотрафарета и ракеля проводниковой пасты,
- сушка изделия,
- вжигание проводниковой пасты,
- пайка светодиодов теплоотводящими выводами к корпусу, а питающими выводами - к образованным проводниковой пастой проводникам токопроводящей цепи питания светодиодов, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической пасты применена низкотемпературная не содержащая свинца и кадмия стеклосодержащая паста с температурным коэффициентом расширения, равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, а в качестве проводниковой пасты применена не содержащая свинца низкотемпературная паста на основе серебра.7. A method of manufacturing an integrated unit for an LED luminaire consisting in the fact that the manufacture is carried out by sequentially performing the following operations:
- manufacture of aluminum housing,
- degreasing of its surface,
- drawing on its surface using a mesh screen and squeegee dielectric paste,
- drying of the product,
- burning dielectric paste,
- applying to the surface formed by the dielectric paste the surface of the dielectric layer using a mesh screen and a squeegee of conductive paste,
- drying of the product,
- burning conductor paste,
- soldering the LEDs with heat sink leads to the case, and the power leads - to the conductors of the conductive power supply circuit of the LEDs formed by the conductive paste, characterized in that a low-temperature lead-free and cadmium-free glass-containing paste with a temperature expansion coefficient equal to that of an aluminum alloy with accuracy of plus or minus 10%, and lead-free low-temperature silver-based paste was used as a conductive paste.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014129139/07A RU2570652C1 (en) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014129139/07A RU2570652C1 (en) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2570652C1 true RU2570652C1 (en) | 2015-12-10 |
Family
ID=54846691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014129139/07A RU2570652C1 (en) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2570652C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2687316C2 (en) * | 2016-03-16 | 2019-05-13 | Открытое Акционерное Общество "Приборный завод "Тензор" | Method of mounting led lamps |
| RU196224U1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-02-21 | Юрий Борисович Соколов | Light-emitting structure for an uninsulated driver |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU104005U1 (en) * | 2010-07-01 | 2011-04-27 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет | METAL BOARD COOLING DEVICE |
| RU107572U1 (en) * | 2011-04-26 | 2011-08-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Прорывные Инновационные Технологии" | MODULAR LED LIGHT |
| EP2269429B1 (en) * | 2008-04-17 | 2011-11-02 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Thermally conductive mounting element for attachment of printed circuit board to heat sink |
| RU114509U1 (en) * | 2011-09-30 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "АКТИВ-Новая Энергия" | LED STREET LIGHT |
-
2014
- 2014-07-15 RU RU2014129139/07A patent/RU2570652C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2269429B1 (en) * | 2008-04-17 | 2011-11-02 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Thermally conductive mounting element for attachment of printed circuit board to heat sink |
| RU104005U1 (en) * | 2010-07-01 | 2011-04-27 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет | METAL BOARD COOLING DEVICE |
| RU107572U1 (en) * | 2011-04-26 | 2011-08-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Прорывные Инновационные Технологии" | MODULAR LED LIGHT |
| RU114509U1 (en) * | 2011-09-30 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "АКТИВ-Новая Энергия" | LED STREET LIGHT |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2687316C2 (en) * | 2016-03-16 | 2019-05-13 | Открытое Акционерное Общество "Приборный завод "Тензор" | Method of mounting led lamps |
| RU196224U1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-02-21 | Юрий Борисович Соколов | Light-emitting structure for an uninsulated driver |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2622775A1 (en) | Led lighting with integrated heat sink and process for manufacturing same | |
| JP2010263003A (en) | Heat-conducting structure of printed board | |
| JP6931276B2 (en) | Thermally efficient electrical assembly | |
| CN102076174A (en) | Method for manufacturing dual-layer sandwiched metal base PCB (printed circuit board) with high thermal conductivity | |
| CN103517542A (en) | Circuit board, electronic module comprising the same, lighting device, and circuit board manufacturing method | |
| US20110272179A1 (en) | Printed Circuit Board with Embossed Hollow Heatsink Pad | |
| CN102595768A (en) | Circuit board | |
| CN101472449A (en) | Combined structure and method of radiator and circuit | |
| RU2570652C1 (en) | Integrated unit for led illuminator and method of its manufacturing | |
| US20170236643A1 (en) | Electronic component having a connection element | |
| KR101172709B1 (en) | a LED array board and a preparing method therefor | |
| CN106982544A (en) | A kind of radiator structure of high power density Switching Power Supply | |
| JP2012231061A (en) | Electronic component module and manufacturing method of the same | |
| CN101841976A (en) | Method for manufacturing circuit board with high thermal conductivity by oil printing method and circuit board with high thermal conductivity | |
| CN103428992A (en) | Circuit board, electronic module, lighting device and method for manufacturing circuit board | |
| US20060131010A1 (en) | Heat dissipating assembly for a heat element | |
| RU150815U1 (en) | LED LIGHT BLOCK | |
| CN108575046A (en) | A kind of high heat conduction composite base material multilayer printed circuit board | |
| CN105206589A (en) | A method of heat transfer in power electronics applications | |
| CN103972379A (en) | Light-emitting device with light-emitting diodes | |
| US9883580B1 (en) | Printed circuit board that provides a direct thermal path between components and a thermal layer and method for assembly | |
| RU153627U1 (en) | POWER MODULE | |
| CN113796168A (en) | Flexible printed circuit board with heat-conducting connection to a heat sink | |
| CN203131523U (en) | Light-emitting diode (LED) light source module with heat conduction column | |
| TWM502251U (en) | LED heat dissipation substrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170716 |